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改性的CuO/γ-Al2O3催化乏风瓦斯的燃烧性能

更新时间:2009-03-28

0 引 言

我国每年因煤炭生产向大气中排放大量的CH4气体,约占世界总排放量的45%[1],其中大部分是通过乏风瓦斯排出的。大量乏风瓦斯直接对空排放,不仅造成了资源浪费,还加剧了温室效应[2-6]。开发乏风瓦斯利用技术是世界性的重要研究课题,催化燃烧是最具开发潜力的乏风瓦斯利用技术[7]。利用催化燃烧技术处理乏风瓦斯的关键是制备出高活性、低成本的催化剂[5]。Cu基催化剂可实现乏风瓦斯的催化燃烧,且廉价易得,被广泛采用[8-10]。文献[5-6,11]以CuO/ZrO2为催化剂进行乏风瓦斯催化燃烧,获得了有价值的研究成果,但所用载体ZrO2的比表面积较小。王月娟等[12]报道,对于CH4催化燃烧反应,高比表面积的催化剂具有更高的催化活性。Al2O3因具有比表面积大和孔结构发达的优点,常用作催化剂载体[13]。文中以γ-Al2O3为载体,采用等体积浸渍法制备了CuO/γ-Al2O3催化剂,并运用冷等离子体技术对其改性,利用SEM、BET、XRD和XPS技术对催化剂进行了表征,研究了冷等离子体改性作用对催化剂催化乏风瓦斯燃烧性能的影响。

因为速冻蔬菜加工存在区域性与配置管理能力的差别,原料生长过程可能会出现环境化学污染杂质、灭虫剂等物质,容易导致药物残留与冲金属等含量超标,再加上不合理的堆积贮运的因素,极易引起原料腐败与出现微生物毒素。所以,一定要认真选择原料供应商、编制供应商名录,并定时检查其药物残留量、重金属与微生物毒素浓度等指标。没有CIQ注册登记基地的原料禁止接收。

为确保研究结果的可靠性与稳定性,选取Cronbach的α信度系数法对量表的信度进行检验。一般认为,总量表的信度系数在0.8以上,分量表的信度系数在0.7以上,则量表的信度较好[14]。利用SPSS 22.0中的可靠性分析模块,对回收的102份有效问卷进行信度检验,结果如表2所示。

1 实 验

1.1 催化剂制备及改性

采用等体积浸渍法制备常规催化剂。使用蒸馏水将Cu(NO3)2配制成不同浓度的浸渍液,将干燥后的γ-Al2O3载体浸于其中,搅拌均匀后浸渍24 h,抽滤,滤饼于110 ℃下干燥10 h后,于450 ℃下焙烧4 h,制得常规催化剂。其中,最佳Cu负载量的常规催化剂记为催化剂Ⅰ。

采用冷等离子体技术制备改性催化剂。将制得的最佳Cu负载量的常规催化剂填装于介质阻挡放电等离子体反应器中,通入氧气作为放电气体,压力保持在0.1 MPa。在控制等离子体工况条件下,对其进行等离子体处理,制得改性催化剂。不同等离子体工况条件下制得的改性催化剂记为催化剂Ⅱ~Ⅹ。

1.2 催化剂表征

催化剂比表面积采用Micromeritic Tristar II3020 全自动比表面和孔隙分析仪测定,BET方程计算。XPS谱图采用 Thermo ESCALAB 250XI 型X射线光电子能谱仪测定,激发源为Al Kα。SEM表征采用 ZEISS evo18型钨灯丝扫描电镜进行。催化剂的XRD谱采用RINT2000 vertical goniometer型X射线粉末衍射仪测定,Cu Kα射线(λ=0.154 18 nm),管电压为40 kV,管电流为100 mA,扫描范围为 20°~90°。

1.3 催化剂催化乏风瓦斯燃烧

催化剂催化乏风瓦斯燃烧实验在自制的管式固定床反应器中进行。将0.3 g催化剂填装于固定床反应器中,以100 mL/min的流速向反应器中通入甲烷体积分数0.7%(空气平衡)的实验气体。实验时,先通实验气体10 min,置换反应器中的空气后,将反应器升温至300 ℃反应20 min,而后以50 ℃为台阶逐步升温至750 ℃,每个台阶反应20 min。尾气用气囊收集后,由GC9790 II型气相色谱仪分析。根据测得的甲烷入口体积分数φin和出口体积分数φout,按式(1)可计算甲烷转化率η

η=(φin-φout)/φin×100%。

(1)

2 结果与分析

2.1 影响催化剂活性的因素

Ea——表观活化能,J/mol;

(1)催化剂Cu负载量是影响催化剂活性的主要因素,当Cu质量分数为7%时,催化乏风瓦斯燃烧的活性最强。

根据原料气及各实验温度下尾气的气相色谱检测结果,利用式(1)可获得乏风瓦斯催化燃烧过程中的甲烷转化率。为了直观比较各催化剂的催化性能,计算了甲烷转化率10%、50%和90%的特征温度θ10θ50θ90,结果列于表1。特征温度越低,意味着催化剂的催化性能越好。从表1可看出,Cu质量分数为7%时,催化剂活性最强。

  

图1 乏风瓦斯燃烧时典型温度气相色谱Fig. 1 Gas chromatography spectrum of tail gas at typical temperature

 

表1 催化剂的特征温度

 

Table 1 Characteristic temperature of different catalyst

  

wCu/%特征温度/℃θ10θ50θ9034134855835401479579740047255010379481585

表观活化能可以反映化学反应进行的难易程度,因此,可以对上述四种催化剂催化乏风瓦斯燃烧的表观活化能进行分析,以进一步评价不同Cu负载量催化剂催化乏风瓦斯燃烧性能。文献[15-16]报道,甲烷在氧化物催化剂上的催化燃烧反应遵循面内Redox反应机理,为准一级反应,且遵循动力学方程(2)[5]

 

(2)

式中:η——甲烷转化率,%;

m——催化剂的填装质量,g;

A——指前因子;

2.1.1 Cu负载量

R——通用气体常数,J/(mol·K);

T——热力学温度,K。

文中设置催化剂用量保持0.3 g不变,故以ln-ln1-η作图可得一直线,其斜率即为表观活化能Ea。由此求出Cu质量分数为3%、5%、7%和10%的催化剂催化乏风瓦斯燃烧的表观活化能分别为93.97、90.50、79.27和81.07 kJ/mol。可知Cu质量分数为7%的催化剂表观活化能最低,其催化乏风瓦斯燃烧的活性最强。

综合甲烷转化特征温度和乏风瓦斯燃烧反应活化能的分析,选取Cu质量分数为7%的催化剂进行等离子体改性研究。

2.1.2 等离子体工况

表2列出了等离子体改性催化剂的工况条件及改性催化剂催化乏风瓦斯燃烧的特征温度和表观活化能。从表2中数据可看出,催化剂经等离子体处理后,其催化乏风瓦斯燃烧的特征温度和表观活化能均不同程度的降低。在放电电压45 kV、放电频率14.71 kHz、处理时间30 min、氧气空速20 mL/(min·g)的等离子体工况条件下制得的催化剂活性最强,其用于乏风瓦斯催化燃烧时,可将起燃温度θ10降低23 ℃,完全燃烧温度θ90降低19 ℃,反应表观活化能从79.27降至76.12 kJ/mol。

 

表2 等离子体工况条件对催化剂活性的影响

 

Table 2 Effect of plasma condition on catalyst activity

  

催化剂U/kVf/kHzt/minv/mL·(min·g)-1特征温度/℃θ10θ50θ90Ea/kJ·mol-1Ⅰ40047255079.27Ⅱ4013.89302040047254778.99Ⅲ4513.89302037546553877.66Ⅳ5013.89302038047154078.72Ⅴ4514.29302037647053878.19Ⅵ4514.71302037746653176.12Ⅶ4514.71152038446754777.97Ⅷ4514.71452037546753578.46Ⅸ4514.71301037747154478.12Ⅹ4514.71303037447254477.62

2.2 催化剂表征

2.2.1 表面特征

因在放电电压45 kV、放电频率14.71 kHz、处理时间30 min、氧气空速20 mL/(min·g)的等离子体工况条件下制得的催化剂性能最好,故仅对催化剂Ⅰ和Ⅵ进行表征。

从上式可知,对任给的ε>0,存在t1∈Τ,使得x(t)≤x*+ε,对于t>t1都成立.因此,当t>t1时

图2为催化剂改性前后放大20 000倍扫描电镜下的形貌。对比图2中的a和b,发现未经改性的7%CuO/Al2O3催化剂颗粒较大,而经氧气放电等离子体处理的催化剂表面趋于细化。

律师代表人士成长规律和评价标准研究——基于文献和在武汉的访谈、问卷调查…………………………………… 武汉市社会主义学院、武汉市律师协会联合课题组(3·81)

  

图2 改性前后催化剂的SEM照片Fig. 2 SEM images of catalyst before and after modification

催化剂颗粒的大小会影响催化剂的比表面积。为了验证等离子体改性对催化剂比表面积的作用,对改性前后的催化剂进行了BET分析。图3为改性前后催化剂的N2吸附-脱附等温线,图4为改性前后催化剂的孔径分布曲线,其中,k=p/p0,K=dV/dD。由图3可知,N2吸附-脱附等温线为Ⅳ型吸附曲线,具有H1型滞后回环,说明改性前后的催化剂均具有介孔结构。由图4可知,孔径dp在5~50 nm内分布。改性后催化剂吸附-脱附等温线滞后回环略有增大,表明等离子体处理使催化剂样品孔容增大。改性后催化剂吸附-脱附等温线未发生本质变化,结合图4所示的孔径分布曲线,分析等离子体处理未对催化剂孔结构产生明显的破坏作用。计算出改性前后催化剂的比表面积、孔容和孔径列于表3。表3显示,经等离子体处理后,催化剂的比表面积和孔容增大,而孔径减小。

  

图3 改性前后催化剂的N2吸附等温线Fig. 3 N2 adsorption isotherms of catalyst before and after modification

  

图4 催化剂的孔径分布Fig. 4 Pore size distribution of catalst samples

 

表3 改性前后催化剂的表面特征参数

Table 3 Textural properties of catalyst before and aftermodification

  

催化剂SBET/m2·g-1Vp/cm3·g-1dp/nmⅠ118.6560.847528.57Ⅵ126.5160.877027.73

2.2.2 XRD表征

20例OSAHS患者年龄在32~47岁之间,平均为(40.05±3.95)岁,全部为男性。平均体重指数(body mass index,BMI)为(28.49±2.86)kg/m2。

  

图5 载体及改性前后催化剂的XRD图谱Fig. 5 XRD patterns of support and catalyst before and after modification

2.2.3 XPS表征

对改性前后的催化剂进行了XPS分析,依据XPS分析结果得到的表层元素分布结果如表4所示。表4显示,改性前后的催化剂表面的活性金属组分含量相差无几,说明等离子体处理未能使得铜物种向催化剂表面富集。对比改性前后催化剂的Cu/Al强度比(xCu/xAl),发现等离子体处理未能改善催化剂表面活性组分的分散性,这与XRD表征结果一致。

 

表4 催化剂表层元素XPS分析结果

 

Table 4 Surface compositions of catalysts from XPS analysis

  

催化剂x/%COCuAlxCu/xAlⅠ0.6366.510.2832.580.0086Ⅵ0.6164.980.2934.120.0085

图6给出了改性前后催化剂表面Cu 2p区域XPS图谱。由图6可见,改性后催化剂的Cu 2p3/2的结合能位于934.42 eV,Cu 2p1/2的结合能位于954.76 eV均高于改性剂933.52和954.28 eV。等离子体处理后的催化剂Cu 2p的结合能向高处迁移,可能是等离子体处理后的催化剂表面颗粒粒径变小,电子缺失导致的。改性前在943.06 eV,改性后在943.42 eV有一卫星峰,结合图7所示的Cu LMM 图谱(改性前后催化剂的Cu LMM结合能分别位于569.1和569.2 eV),分析催化剂中的铜处于Cu2+氧化态。

  

图6 改性前后催化剂的Cu 2p XPS 图谱Fig. 6 Cu 2p spectrum of catalyst before and after modification

  

图7 改性前后催化剂的Cu LMM XPS图谱Fig. 7 Cu LMM spectrum of catalyst before and after modification

2.3 等离子体改性作用机理

同样的教学内容,不同教师或者同一教师对文本的认识和定位不同,教学目标的设定也就不同。以经典文本《贝多芬百年祭》的教学为例,我们在3份不同的教学设计中看到了这样的教学目标。

3 结 论

采用浸渍法制备了Cu质量分数为3%、5%、7%和10%的四种CuO/γ-Al2O3催化剂,并分别将其填装于固定床反应器中,对甲烷体积分数为0.7%的瓦斯气进行催化氧化实验。应用Cu质量分数为3%的催化剂时,原料气及实验过程中尾气气相色谱图如图1所示。由图1可见,随着反应温度θ的增加,乏风瓦斯中的甲烷含量逐渐减小,二氧化碳含量逐渐增大,乏风瓦斯催化燃烧的最终产物为二氧化碳。甲烷的温室效应为二氧化碳的21倍,对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍[14]。可见,对乏风瓦斯进行催化燃烧可实现清洁排放、获取减排收益。如果考虑利用氧化热的话,收益更大。

(2)催化剂经等离子体处理后,其催化乏风瓦斯燃烧的特征温度和表观活化能均不同程度的降低。用于乏风瓦斯燃烧的改性CuO/γ-Al2O3催化剂,其制备的最佳等离子体工况条件为放电电压45 kV、放电频率14.71 kHz、处理时间30 min、氧气空速20 mL/(min·g)。

(3)对改性前后催化剂进行SEM、BET、XRD和XPS表征,结果表明,经氧气放电等离子体处理的催化剂颗粒趋于细化;比表面积和孔容增大,而孔径减小;催化剂上CuO晶粒增大,从而影响了其在催化剂表面的分散性。

在这一行业发展环境动态变化的背景下,由于降低成本、减轻责任、适应技术更新迅速等因素,城市轨道交通维修市场化导向日益明显,维修集约范式也从早期主体自主范式向委外、联合等市场化维修集约范式转移,并出现某些城市多种维修集约范式并存的现象。如香港、广州、上海等城市的新建轨道交通线路与老线路的维修主体有所不同,部分新建线路仅在几种关键系统上采用了主体自主的维修集约范式。

(4)综合分析认为,等离子体对催化剂的改性作用主要是通过于增大催化剂的比表面积和改变孔径、孔容,从而影响乏风瓦斯中的甲烷在催化剂表面的吸附、活化和转化。

参考文献:

绿色需要空间的分布,也需要时间的积累。生态恢复是个渐进的过程,不是一蹴而就、一个早晨就能建立起生态系统的。三北防护林工程刚刚启动的时候,摆在第一位的是要通过种树防风固沙,杨树便成了首选树种,其他任何树种都没有它生长快。

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不存在任何预先的编码方案或者先验设计的新方案适合新的数据,并且数据中出现的编码方案可能产生更准确的陈述; 因此,在编码期间,通常需要回顾评论、重新编码,以便适应编码方案中的新修改。[31] 根据新的编码方案,对同伴反馈进行人工分类,编码者和研究者对部分反馈分别编码,通过讨论解决编码者之间的不一致,对同伴反馈类型编码的信度进行测试。 综合运用文献回顾和人工编码的识别方法,耗时长但是信度高。

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综合分析催化剂的SEM、BET、XRD和XPS表征结果,催化剂经等离子体改性后,其比表面积增大,对改善催化剂活性起正作用;而催化剂上CuO晶粒增大,影响了其在催化剂表面的分散性,对改善催化剂活性起负作用。结合催化剂催化乏风瓦斯燃烧的性能,认为在文中所用的等离子体工况及不改变催化剂晶体结构的条件下,比表面积增大对催化剂性能改善的正作用大于活性金属分散性变差的负作用。催化剂比表面积增大更利于乏风瓦斯中的甲烷在催化剂表面的吸附、活化和转化。

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图5是载体γ-Al2O3及等离子体处理前后催化剂XRD图谱,图中2θ为36.96°、45.40°和67.26°处的衍射峰为γ-Al2O3的特征峰,2θ为35.58°和38.74°处的衍射峰为CuO的特征峰。对比载体及负载了铜的催化剂Ⅰ的XRD图谱,发现催化剂Ⅰ图谱出现了CuO特征衍射峰,表明催化剂中存在CuO晶相。经等离子体处理后的催化剂ⅥCuO衍射峰强度有所增加,说明催化剂上的CuO晶粒增大,影响了其在表面的分散性。这是由催化剂的制备方法决定的,文中研究所用的改性催化剂的制备过程为先高温焙烧后等离子体处理,催化剂经高温焙烧已经形成了结构稳定的CuO晶体,再进行等离子体处理对提高活性组分的分散性已无作用,催化剂表面受到高能粒子的轰击反而削弱了CuO和Al2O3之间的作用力。

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尽管ADA推荐HbAlc≥6.5%便能对糖尿病进行诊断,但经该次研究得知,当HbAlc取值为6.34%、6.5%时,其诊断灵敏度与特异度较接近,表明当HbAlc于6.34%时,便可诊断DM。

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直译作为一种有效的翻译方法,既忠实于原文的内容,又力图忠实于原文的形式,并能充分反映原文的风格和特点。蒙娜·贝克认为直译也叫逐字翻译,就是把源语言文本分割成单个单词,然后用目的语呈现。因此,直译可以相对保留原文的隐喻、民族特征和语言特征,使读者了解外国文化,是翻译文化负载词的一种有效方法。以下是直译在翻译《盗墓笔记》中文化负载词的应用实例:

走的那天,许飞哭得像死了娘,明明他娘就站在大汽车旁边,喊他快点。杂货店已经关了门,老爹说,寡妇在外面找了人,连大带小一起接走了。

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区内外高校对“为学校领导提供决策信息;为促进对决算报表数据的应用”等4个方面高校部门决算报表分析的重要性认知数据对比分析如表6所示。

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徐锋,李凡,田瑶瑶,毕方强,朱丽华
《黑龙江科技大学学报》2018年第02期文献

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